[发明专利]一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置及测试方法

说明书

本发明提供了一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置及测试方法，该方案包括有机架、直线导轨平台、样品台、拉伸基座、工件夹持机构、反向观测机构和摩擦副‑球夹具。该方案将应力场引入工件的摩擦磨损实验中，并经过力学仿真和实验模拟验证了该装置的可实施性和可靠性，其对研究材料在特殊拉压应力工况下的磨损失效问题具有重要意义。同时，装置中的反向观测机构可以对透明材料磨损进行实时在线观测，以准确掌握材料磨损破坏的动态过程。此外，该装置能获得准确的实验材料形变参数，以此为基础定量计算材料磨损体积。在摩擦磨损测试中，本装置及测试方法能为分析和揭示应力场对材料磨损与损伤衍化的相关定量关系提供强有力的理论和实验支撑。

技术领域

本发明涉及的是材料的摩擦磨损试验领域，尤其是一种带有拉、压机构的摩擦磨损测试装置及测试方法。

背景技术

通过摩擦磨损试验机来评价材料的耐磨性能以及判断其损伤行为是摩擦学研究的基本手段。大量研究表明，材料磨损过程中外界环境的改变将直接影响到其损伤行为。外界环境涵盖了包括温度，湿度，气氛，电场，磁场，应力场在内的众多外界因素。传统的摩擦磨损试验机通常并不考虑环境因素对材料磨损的影响，如果需要对外界环境进行主动控制，则需要在试验机上附加额外装置来实现。例如通过附加环境气氛腔来实现湿度和气氛的可控，通过外部电/磁场装置来实现摩擦磨损中的电/磁场环境可控，等等。

应力场作为一种独特的外界环境，在材料的摩擦磨损研究中往往被忽略。之前大量的试验和研究发现，材料在绝对值相同的拉应力或压应力作用下，会发生绝对值不同的拉应变和压应变，即材料具有拉压不同模量的非线性特性。还有研究表明残余拉应力对硬度影响明显，而残余压应力对硬度影响较小，还会引起压痕深度、接触面积的变化。对于金属材料，无论是压缩还是拉伸，在一定条件下，都将导致金属腐蚀速度的加速，但不同形变阶段金属力学化学活性存在一定的差别，并且疲劳寿命随应力水平的减小而增大，从不同应力水平的变异性来看，随应力水平的减小变异系数随之增大，说明应力水平越小疲劳寿命的离散性越大。

以上结论说明，外部应力对材料的物理特性有明显的影响，但却没有提到对材料摩擦磨损性能影响。目前，绝大多数摩擦磨损试验机在设计上仅考虑被测样品在无外应力下的磨损状况，并无在磨损实验过程中对被测样品施加外应力的相关附加装置。然而，在实际生活和工程应用中，许多材料的摩擦磨损都是发生在外应力存在的条件下。例如，目前很多风景区出现的“玻璃栈道”，大块的玻璃通过紧固件安装在刚性支撑结构上，并通过螺纹和螺栓施加外应力予以固定。当人在玻璃栈道上行走时，鞋和玻璃的磨损将发生在玻璃处于受拉应力的状态下；滑索的缆绳受拉力作用，当游客乘坐滑索下滑时，索套与钢缆之间剧烈摩擦，要保证使用者安全，应考虑拉力与摩擦力共同作用；轮胎充气后由于张力作用而绷紧，在汽车行驶过程中，轮胎极易磨损，为了清楚的了解轮胎寿命，必须考虑张力对轮胎磨损的影响。由于拉应力的存在，材料在发生磨损时的裂纹萌生与扩展规律将可能和无应力状态下产生巨大差异。当对其材料的磨损性能进行研究时，如果不考虑外应力的作用，实验所获得的磨损结果并不能反映材料在真实使用过程中的磨损状态，这将可能导致高估了材料的使用寿命，甚至造成灾难性的事故。因此，开发用于摩擦磨损试验机，且可对被测样品施加外应力的实验装置，对于研究外压应力条件下的材料摩擦学特性具有重大意义。

磨损试验结束后,对试验样品上磨痕的观察是评价材料损伤性能的基本手段。当前，对材料磨损后的损伤分析，通常是对测试后的样品表面来进行形貌表征。但是这种分析方法的缺点在于不能实时动态观测磨损区域状态的变化，例如，不能实时观测和判断样品在试验过程中的磨损类型、表面破坏的方式及其转变过程等。针对透明的脆性材料而言，材料磨损过程中通常伴随着裂纹的生成，如果仅仅在磨损后对磨损形貌进行观察，并不能准确的掌握材料在磨损中裂纹萌生的时刻以及大小，从而对材料损伤机理的掌握相当有限。而目前现有的磨损试验机基本无法解决此类问题。因此，研发一种既能在摩擦磨损过程中给被测样品提供定量的拉压应力，又能在摩擦磨损测试中实时在线观测材料动态破坏过程的实验装置，可以很好的用于研究一些透明材料在特殊拉压应力工况下的磨损失效问题，为分析和揭示应力场和材料磨损与衍化的相关定量关系提供强有力的实验支撑。